王建釗

（中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000）

隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展，更多超大結(jié)構(gòu)物得以問世，尤其是超大樁徑、超長樁身的樁基，其作為承載體的地基基礎(chǔ)部分也非常重要。另外，超緩凝混凝土在鋼管柱施工過程中的試配與應(yīng)用成為蓋挖法能否成功的關(guān)鍵。

1 工程概述

太原市軌道交通一號(hào)線太原東廣場站按照現(xiàn)場施工情況將整個(gè)地鐵站劃分為8 個(gè)倉室分段進(jìn)行施工，縱向分為3 個(gè)部分：東廣場范圍、雙塔北路東側(cè)范圍及雙塔北路范圍。其中雙塔北路范圍（6、7 倉）地下一層為待建市政隧道，地下二至四層為地鐵車站，車站與市政隧道共構(gòu)合建。

由于雙塔北路市政隧道施工需要在短期內(nèi)完成，以恢復(fù)道路通行，因此必須保證短時(shí)間內(nèi)完成地鐵站負(fù)二層頂板的施工。將地鐵站6、7 倉負(fù)二層底板以下部分采用蓋挖逆方式進(jìn)行施工，而中間框架柱變更鋼管柱樁后插法施工，這要求灌注樁必須是超緩凝混凝土，因此超緩凝混凝土施工成為施工的重要控制環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 鋼管柱施工斷面圖

2 確定混凝土緩凝時(shí)間及工作性能

超緩凝混凝土是指混凝土在攪拌的過程中添加各種外加劑（例如緩凝劑、增黏劑和減水劑等），來達(dá)到延緩混凝土初凝時(shí)間的目的。當(dāng)混凝土中加入緩凝劑以后，水泥中的細(xì)部顆粒因吸收緩凝劑中的陰離子而帶負(fù)電荷，周圍的水體產(chǎn)生帶電性，相同電性的類離子相互發(fā)生排斥，導(dǎo)致水泥與水體分散，使水泥漿不能聚集，水泥與水間的接觸面積增加，水泥顆?？梢猿浞值厮?。在水泥顆粒不斷水化的過程中，水泥漿由網(wǎng)狀凝聚結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z結(jié)構(gòu)。因此，料漿變稀，混凝土流動(dòng)性大，緩凝時(shí)間長。

由于施工中常見的緩凝劑的性質(zhì)特殊，因此需要引入空氣，在攪拌混凝土的過程中，如果添加過量會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度異常，而且緩凝的時(shí)間通常達(dá)不到施工要求，緩凝效果較好的緩凝劑初凝時(shí)間一般＜10h，保坍時(shí)間達(dá)不到施工效果。在使用超緩凝劑的過程中，可以延緩混凝土的初凝時(shí)間，具體所需要的緩凝時(shí)間與緩凝劑的摻入量有關(guān)，混凝土保坍時(shí)間效果較好，一般終凝時(shí)間約60h。緩凝效果顯著，落度經(jīng)時(shí)損失小，混凝土緩凝時(shí)間為60h～80h，有效降低了混凝土的水化溫升。

為確定該工程混凝土所需的初凝時(shí)間，根據(jù)施工場地與混凝土攪拌站間的位置距離測算混凝土罐車在路上行駛時(shí)間約為1.5h；混凝土罐車到達(dá)施工現(xiàn)場后等待時(shí)間為0.5h；每車混凝土從開始灌樁到灌樁結(jié)束時(shí)間為3h；從鋼管柱開始吊裝到插入樁基，安裝牢固時(shí)間為6h，考慮在混凝土罐車行駛過程中堵車和到達(dá)施工現(xiàn)場后等待時(shí)間等突發(fā)因素，大約需要5h，最終確定混凝土緩凝適配時(shí)間不小于24h。為保證施工流暢性及可靠性，最終將混凝土1h坍落度損失率控制在11%以內(nèi)。

3 配合比設(shè)計(jì)思路

讓混凝土具有超緩凝的性能的主要方法是在混凝土中添加緩凝劑，可以采用復(fù)合型緩凝高效減水劑，有利于增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度，使其能具有超緩凝的性能，由于混凝土配制過程中所選用的水泥、石子以及砂子等材質(zhì)有所差異，可能會(huì)使混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此在超緩凝混凝土使用前要進(jìn)行適配來確定能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。

需要從混凝土的原材料方面配制超緩凝混凝土，然后將傳統(tǒng)混凝土攪拌站所用的外加劑單獨(dú)摻加的形式，改為雙摻、三摻甚至摻入更多外加劑的組合形式，再不斷地進(jìn)行試配篩選，并通過不同形式配合比的調(diào)配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的靶向調(diào)節(jié)與控制。在超緩凝混凝土的生產(chǎn)工藝方面，形成組合劑+傳統(tǒng)混凝土相結(jié)合的生產(chǎn)模式，解決因環(huán)境因素造成的混凝土質(zhì)量波動(dòng)問題[2]。

根據(jù)設(shè)計(jì)和施工要求，混凝土初凝時(shí)間短的主要原因是水泥摻水后產(chǎn)生的水化熱比較大，從而導(dǎo)致混凝土溫度升高，非常不利于超緩凝混凝土的試配。因此，需要從水泥的選擇入手，然后是外加劑以及級(jí)配材料的選擇，根據(jù)以往的配合比單，試配滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土型號(hào)，在該基礎(chǔ)上添加各種外加劑，逐步確定最終的配合比，試驗(yàn)步驟如下：1）進(jìn)行3 組不加任何外加劑配合比的試驗(yàn)，坍落度為180mm～220mm。2）進(jìn)行（緩凝劑組合）3 組配合比試驗(yàn)，緩凝劑按照不同的比例添加。3）進(jìn)行（保塌液+緩凝劑組合）3 組配合比試驗(yàn)，緩凝劑按照不同的比例添加。4）進(jìn)行（減水劑+保塌液+緩凝劑組合）3組配合比試驗(yàn)，緩凝劑按照不同比例添加。5）外加劑摻量按膠凝材料的2%添加，緩凝劑（葡萄糖酸鈉+白糖），添加比例分別為每噸外加劑45kg、55kg、65kg、75kg 和85kg。

4 配制超緩凝混凝土配合比

根據(jù)初步設(shè)計(jì)思路的試驗(yàn)配比進(jìn)行試驗(yàn)，在操作過程中，完成的3 組不加任何外加劑的混凝土滿足性能要求，但后續(xù)完成的3 組添加緩凝劑的混凝土試塊雖然出機(jī)狀態(tài)正常，但是一定時(shí)間后卻出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，外加劑無法調(diào)整和保持混凝土狀態(tài)。試驗(yàn)人員選用適應(yīng)性較強(qiáng)的外加劑保塌：SR-1、SR-3，為避免外加劑再出現(xiàn)差錯(cuò)，試驗(yàn)人員在拌合站自制工具，調(diào)配外加劑。同時(shí)考慮到施工特點(diǎn)，將配合比砂率調(diào)整到約50%。在試驗(yàn)和試生產(chǎn)成功后，準(zhǔn)備進(jìn)行第二次施工準(zhǔn)備。

通過試配可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土中添加的緩凝劑（外加劑）增加后，混凝土具有的特性都會(huì)改變，混凝土的和易性會(huì)逐漸變差，隨著時(shí)間的推移，混凝土?xí)霈F(xiàn)離析現(xiàn)象，最終導(dǎo)致混凝土的穩(wěn)定性變差，進(jìn)而影響混凝土的各項(xiàng)性能。因此，在超緩凝混凝土的配制過程中需要在混凝土中加入適量的增黏劑（外加劑），增黏劑可以提高混凝土的黏結(jié)性，隨著增黏劑用量不斷增加，混凝土拌合物的擴(kuò)展度呈良性發(fā)展，進(jìn)一步改善了混凝土膠凝材料的黏性，使其逐漸脫離離析狀態(tài)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)使用過量的增黏劑也會(huì)有各種弊端，例如混凝土的流動(dòng)性逐漸降低，從而增加混凝土的坍落度損失。因此，在施工過程中要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況做好配比試驗(yàn)，得到最佳的配合比，從而保證混凝土拌合物的流動(dòng)性和黏聚性，也保證超緩凝混凝土具有較好的穩(wěn)定性。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并觀察其試驗(yàn)過程可知，試樣初凝時(shí)間為18h～55h，最終經(jīng)過調(diào)整，確定凝結(jié)時(shí)間約24h，試塊強(qiáng)度配合比能夠符合要求，見表1。

表1 C40P12 超緩凝混凝土抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終配制以中研科技的保塌母液SR-1、SR-3、減水母液、引氣劑、水、葡萄糖酸鈉和蔗糖為原料的緩凝外加劑。并根據(jù)原材料的實(shí)際情況，得出滿足施工要求的混凝土配合比[3]，C40P12 混凝土外加劑配合比以及混凝土配合比見表2 和表3。

表2 C40P12 超緩凝混凝土外加劑配合比（單位：kg/m3）

表3 C40P12 超緩凝混凝土配合比（單位：kg/m3）

5 超緩凝混凝土的應(yīng)用

超緩凝混凝土在太原站東廣場及配套路網(wǎng)工程，太原站東廣場站中得到成功應(yīng)用，在施工過程中，要嚴(yán)格要求超緩凝混凝土的試配、混凝土試塊的留置以及施工現(xiàn)場超緩凝混凝土的應(yīng)用，使超緩凝混凝土的凝結(jié)時(shí)間能夠達(dá)到鋼管柱施工需求。從施工過程中所留置的標(biāo)養(yǎng)試塊和同養(yǎng)試塊的強(qiáng)度可以看出，試驗(yàn)所配置的超緩凝混凝土強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)以及規(guī)范要求，經(jīng)過兩個(gè)多月，順利完成了蓋挖法中間樁的施工。

6 超緩凝混凝土的技術(shù)創(chuàng)新性研究

隨著施工工藝的發(fā)展，衍生出具有特殊性能的超緩凝混凝土。在特殊的施工工藝或施工環(huán)境中，混凝土需要具備特殊性能，不僅有早期較長的凝結(jié)時(shí)間，而且有混凝土強(qiáng)度后期要滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)施工工藝來說，混凝土必須具有相應(yīng)的性能才能滿足現(xiàn)場施工需求。從材料性能的研究方向來看，既要滿足施工工藝的要求，又要滿足材料科學(xué)的要求，這是研究超緩凝混凝土的難點(diǎn)[3]。

首先，當(dāng)原材料合格時(shí)，因?yàn)樗唷⑸笆系淖儎?dòng)直接影響混凝土凝結(jié)時(shí)間，所以要保證配置超緩凝混凝土料源穩(wěn)定，其次，根據(jù)原材料情況制定專門的配合比，并進(jìn)行相應(yīng)的配比試驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及不斷優(yōu)化混凝土添加劑，緩凝劑由傳統(tǒng)外加劑向高分子方向發(fā)展。研究方向是結(jié)合各種現(xiàn)有新型材料，尤其是具有緩凝功能的助劑分子結(jié)構(gòu)，從混凝土緩凝劑的合成原材料以及氧化還原劑方面入手，在用量、合成溫度以及控制時(shí)間等方面進(jìn)行合成研究。

新型緩凝劑合成研究所用到的材料主要為酸酐與亞磷酸、聚羧酸、金屬鹽和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)合成施工所需的超緩凝劑。與傳統(tǒng)意義上的緩凝劑相比，新型超緩凝劑的穩(wěn)定性更好，在混凝土拌制過程中可以保證維混凝土的塑性，從而達(dá)到緩凝效果。為更好地驗(yàn)證新型超緩凝劑的緩凝效果，實(shí)驗(yàn)室對(duì)其工作性能、材料性能和力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)研究，判斷新型超緩凝劑對(duì)混凝土的影響。新型超緩凝混凝土配合比見表4，在配合比中除新型超緩凝劑摻量不同外，其他原材料與用量完全相同，混凝土工作性能見表5，C40 超緩凝混凝土28d 抗壓強(qiáng)度見表6[4]。

表4 C40 新型超緩凝混凝土配合比

表5 C40 混凝土工作性能表

表6 C40 超緩凝混凝土28d 抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

由試驗(yàn)可知，新型超緩凝劑材料性能較好，能夠滿足混凝土力學(xué)性能要求且和常規(guī)緩凝劑對(duì)比創(chuàng)新性較好?；炷脸從齽┍Ｌ⒕從Ч^好，在實(shí)際施工的過程中，可以根據(jù)超緩凝劑摻量調(diào)節(jié)混凝土保坍時(shí)間，摻量不應(yīng)大于3.0%。新型超緩凝劑可有效避免混凝土因內(nèi)外溫差過大收縮而導(dǎo)致開裂的情況，提高混凝土體積的穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

由于超緩凝混凝土維持塑性的時(shí)間比普通混凝土要長，因此可以用于特殊的施工工藝及施工環(huán)境中，超緩凝混凝土是建筑施工發(fā)展過程中的新型產(chǎn)物，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)緩凝混凝土在凝結(jié)時(shí)間上的局限性，拓寬混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域，通過不斷完善與優(yōu)化，超緩凝混凝土能夠應(yīng)用于城市建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中。該工程鋼管樁超緩凝混凝土的順利完成為之后的工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，超緩凝混凝土的應(yīng)用可以為大樁徑超長樁基的施工提供參考，尤其是特大橋、超高層建筑，可以達(dá)到降低施工成本、提高效率、保護(hù)周邊環(huán)境的目的，同時(shí)也節(jié)省工程造價(jià)，縮短了施工工期。